Historie des Stirlingmotors

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Die Geschichte des Stirlingmotor

 

Illustration zu Robert Stirling´s Patentanmeldung 1816

Der erste Stirlingmotor wurde 1816 vom schottischen Geistlichen Robert Stirling zum Patent angemeldet. Die erste Maschine arbeitete als Wasserpumpe zur Entwässerung eines Steinbruchs in Schottland. Zu dieser Zeit waren Kesselexplosionen bei Dampfmaschinen relativ häufig. Stirling wollte die Arbeit in den Steinbrüchen und Kohlengruben sicherer machen.  Durch die externe gut zu kontrollierende Wärmezufuhr und den relativ geringen Druck in der Maschine sind folgenschwere Unfälle wie Explosionen nahezu ausgeschlossen. Neben der wesentlich verbesserten Sicherheit spielte wohl auch der geringere Brennstoffverbrauch der Stirlingmotoren gegenüber den Dampfmaschinen eine Rolle bei der Entwicklung der neuen Technik.

Am Anfang des 20. Jahrhunderts waren weltweit ca. 250.000 Stirlingmotoren im Einsatz, als Tisch-Ventilatoren, Wasserpumpen und Antriebe für Kleingeräte wie z.B. Nähmaschinen. Sie versorgten Privathaushalte und kleine Handwerksbetriebe mit mechanischer Energie. Als sich Otto-, Diesel- und Elektromotoren immer weiter verbreiteten, wurden die Stirlingmotoren zunehmend vom Markt verdrängt.   Bild 1: Illustration zu Robert Stirling´s Patentanmeldung 1816

Der wichtigste Grund dafür dürfte sein, dass Fossile Rohstoffe lange Zeit unerschöpflich zu sein schienen und Umweltschutz kein Thema war. Der Stirlingmotor hat den Nachteil, das er durch sein relativ hohes Gewicht in Bezug auf seine Leistung herkömmlichen Verbrennungsmotoren unterlegen ist. Dadurch ist er für mobile Anwendungen ungeeignet. Das Verhältnis von Masse zu Leistungsdichte ist z.B. für Autos einfach zu schlecht. Die großen Vorteile des Stirlingmotor im Sationären Bereich gerieten in Vergessenheit. 100 Jahre intensive Forschung und Entwicklung an Verbrennungsmotoren durch die Automobilindustrie gilt es aufzuhohlen.

Eine ungebrochene Domaine von Stirlingmotoren ist die Erzeugung von sehr tiefen Temperaturen. Mit Tieftemperatur-Stirling-Kältemaschine n lassen sich Temperaturen um 80 K (ca. -193°C) erreichen (Erklärung Kelvin)         Luft- oder Erdgasverflüssigung und Kühlung von Infrarotsensoren sind typische Beispiele für Tieftemperatur- Anwendungen. Das Militär benötigt seit vielen Jahren diese Maschinen in großen Stückzahlen, da es sehr viele Kühlaggregate für automatische Lenkwaffen und Wärmesichtgeräte, wie z.B. in Thermographiekamaras benötigt.

In jüngster Zeit finden Stirlingmotoren vor allem als solarthermische Anlagen Verwendung. So z.B. im Spanischen Almeria wo mit Unterstützung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) ein Dish/Stirling in Betrieb genommen wurden. (Dish=engl. f. Schüssel). Auch in deutschen Gefilden hat die Sonne im Sommer um die Mittagszeit eine Leistung von 1000W pro qm

Dish/Stirling System von SOLO Motoren in der Forschungsanlage Almeria Spanien

Bild 2: Dish/Stirling System von SOLO Motoren in der Forschungsanlage Almeria Spanien

Dish/Stirling Systeme bestehen aus einem Parabolkonzentrator, einem Strahlungsempfänger (Receiver) und dem Stirling-Motor mit angekoppeltem Generator. Im Gegensatz zu den Großanlagen wie Solartürmen und Parabolrinnenfeldern (50 bis 200MWe) sind Dish/Stirling Systeme für dezentrale Anwendungen im Bereich einiger kW bis hin zu wenigen MW elektrischer Leistung geeignet. Ihre Modulgröße liegt bei den aktuellen Systemen zwischen 5 kWe und 25 kWe. Durch das Erreichen von sehr hohen Konzentrationsfaktoren und Temperaturen konnten mit Dish/Stirling Anlagen mit 29 % Wirkungsgrad die bisher höchsten Konversionsgrade aller solarthermischen Anlagen erreicht werden.
Dish/Stirling Systeme eignen sich in idealer Weise für den Einsatz in netzfernen Anwendungen für die Versorgung mit
elektrischer Energie, Wasser, Entsalzung etc. oder als netzgekoppelte Anlagen.
Die einzelnen Module können leicht zu einem Park bis zu einer Größe von 5-10 MW zusammengeschlossen werden.

Ein Ausblick in die Zukunft:
Stirlingmotoren sind für unsere Gesellschaft ein idealer Energiewandler, da sie mit geringem konstruktiven Aufwand alle regenerativen Energiequellen (z.B. Sonne, Holz, Biomasse) nutzbar machen. Sie werden sich am schnellsten in den Bereichen durchsetzen, in denen sie nicht direkt mit Otto- und Dieselmotoren konkurrieren müssen. 

- in Blockheizkraftwerken die mit regenerativen Energieträgern betrieben werden
- Wärmepumpenanlagen die direkt mit Energie betrieben werden
- Erweiterung des Einsatzes als Cryogenerator in Kälte- und Komprimieranlagen
- in der Raumfahrt und Medizintechnik, als umweltunabhängiger Antrieb
- allgemein als dedizierte oder Array Kraftwerke

Diese Technik wird mithelfen, das Weltklima zu schonen, neue Arbeitsplätze zu schaffen und die volkswirtschaftlichen Kosten des Energiesektors zu verringern.

 

Gerade im Bereich der Blockheizkraftwerke BHKW finden sich zunehmend interessante Modelle und Anbieter. Hier zeichnen sich echte Alternativen bei Wärme- und Energieversorgung auch im Bereich privater Haushalte ab.

Weiterführender Link zum Thema BHKW:

http://s-tip.org

 www.cleanergyindustries.com 

 

Quellennachweise:

Bild 1: Indian Institute of Technology, copy of image in Robert Stirling's patent of 1816. [Public domain], via Wikimedia Commons / File:Robert Stirling's engine patent-retouched.png - Wikimedia Commons / https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ARobert_Stirling's_engine_patent-retouched.png / 09.08.2016

Bild 2: Pedro Servera aus der deutschsprachigen Wikipedia [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) oder CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)], via Wikimedia Commons / https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ADish-Stirling.png / 09.08.2016